Metallfilterschwamm entfernt Blei aus Wasser

Ingenieure der Northwestern University haben einen neuen Schwamm entwickelt, der Metalle – darunter giftige Schwermetalle wie Blei und kritische Metalle wie Kobalt – aus kontaminiertem Wasser entfernen kann und so sicheres, trinkbares Wasser zurücklässt.

In Proof-of-Concept-Experimenten testeten die Forscher ihren neuen Schwamm an einer stark kontaminierten Leitungswasserprobe, die mehr als 1 Teil pro Million Blei enthielt. Bei einmaliger Verwendung filtrierte der Schwamm Blei bis unter die nachweisbare Menge.

Nach der Verwendung des Schwamms konnten die Forscher auch erfolgreich Metalle zurückgewinnen und den Schwamm für mehrere Zyklen wiederverwenden. Der neue Schwamm ist vielversprechend für den zukünftigen Einsatz als kostengünstiges, einfach zu verwendendes Werkzeug in Wasserfiltern zu Hause oder bei groß angelegten Umweltsanierungsmaßnahmen.

Die Studie wurde am 10. Mai in der Zeitschrift veröffentlicht ACS ES&T Wasser. Das Papier skizziert die neue Forschung und legt Designregeln für die Optimierung ähnlicher Plattformen zur Entfernung – und Rückgewinnung – anderer Schwermetallgifte, einschließlich Cadmium, Arsen, Kobalt und Chrom, fest.

„Das Vorhandensein von Schwermetallen in der Wasserversorgung stellt eine enorme Herausforderung für die öffentliche Gesundheit auf der ganzen Welt dar“, sagte Vinayak Dravid von der Northwestern University, leitender Autor der Studie und Abraham Harris Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der McCormick School of Engineering der Northwestern University und Direktor von globale Initiativen am International Institute for Nanotechnology. „Es handelt sich um ein Gigatonnen-Problem, das Lösungen erfordert, die einfach, effektiv und kostengünstig eingesetzt werden können. Hier kommt unser Schwamm ins Spiel. Er kann die Verschmutzung entfernen und dann immer wieder verwendet werden.“

Verschüttete Flüssigkeiten aufsaugen

Das Projekt baut auf Dravids früherer Arbeit zur Entwicklung hochporöser Schwämme für verschiedene Aspekte der Umweltsanierung auf. Im Mai 2020 stellte sein Team einen neuen Schwamm vor, der Ölverschmutzungen beseitigen soll. Der mit Nanopartikeln beschichtete Schwamm, der jetzt vom Northwestern-Spin-off MFNS Tech vermarktet wird, bietet eine effizientere, wirtschaftlichere, umweltfreundlichere und wiederverwendbarere Alternative zu aktuellen Ansätzen zur Bekämpfung von Ölverschmutzungen.

Aber Dravid wusste, dass es nicht genug war.

„Wenn es zu einer Ölverschmutzung kommt, kann man das Öl entfernen“, sagte er. „Aber in diesen verschütteten Flüssigkeiten sind auch giftige Schwermetalle wie Quecksilber, Cadmium, Schwefel und Blei enthalten. Selbst wenn man das Öl entfernt, könnten also einige der anderen Giftstoffe zurückbleiben.“

Spülen und wiederholen

Um diesen Aspekt des Problems anzugehen, griff Dravids Team erneut auf Schwämme zurück, die mit einer ultradünnen Schicht aus Nanopartikeln beschichtet waren. Nachdem das Team viele verschiedene Arten von Nanopartikeln getestet hatte, stellte es fest, dass eine mit Mangan dotierte Goethit-Beschichtung am besten funktionierte. Mit Mangan dotierte Goethit-Nanopartikel sind nicht nur kostengünstig herzustellen, leicht verfügbar und für den Menschen ungiftig, sie verfügen auch über die notwendigen Eigenschaften, um Schwermetalle selektiv zu beseitigen.

„Sie möchten ein Material mit einer großen Oberfläche, damit die Bleiionen mehr Platz haben, um daran zu haften“, sagte Benjamin Shindel, ein Ph.D. Student in Dravids Labor und Erstautor der Arbeit. „Diese Nanopartikel verfügen über große Oberflächen und zahlreiche reaktive Oberflächenstellen für die Adsorption und sind stabil, sodass sie viele Male wiederverwendet werden können.“

Das Team synthetisierte Aufschlämmungen aus Mangan-dotierten Goethit-Nanopartikeln sowie mehrere andere Zusammensetzungen von Nanopartikeln und beschichtete kommerziell erhältliche Zelluloseschwämme mit diesen Aufschlämmungen. Anschließend spülten sie die beschichteten Schwämme mit Wasser ab, um alle losen Partikel abzuwaschen. Die endgültigen Beschichtungen hatten eine Dicke von nur einigen zehn Nanometern.

Beim Eintauchen in kontaminiertes Wasser speicherte der mit Nanopartikeln beschichtete Schwamm effektiv Bleiionen. Die US-amerikanische Food and Drug Administration verlangt, dass in Flaschen abgefülltes Trinkwasser weniger als 5 Teile pro Milliarde Blei enthält. In Filtrationsversuchen senkte der Schwamm den Bleigehalt auf etwa 2 Teile pro Milliarde und machte ihn so trinkbar.

„Damit sind wir wirklich zufrieden“, sagte Shindel. „Natürlich kann diese Leistung aufgrund mehrerer Faktoren variieren. Wenn Sie beispielsweise einen großen Schwamm in einer winzigen Wassermenge haben, ist die Leistung besser als ein kleiner Schwamm in einem riesigen See.“

Die Wiederherstellung umgeht den Bergbau

Anschließend spülte das Team den Schwamm mit leicht angesäuertem Wasser ab, was Shindel damit verglich, dass es „die gleiche Säure wie Limonade“ habe. Die saure Lösung bewirkte, dass der Schwamm die Bleiionen freisetzte und für eine andere Verwendung bereit war. Obwohl die Leistung des Schwamms nach der ersten Verwendung nachließ, gewann er bei den folgenden Verwendungszyklen immer noch mehr als 90 % der Ionen zurück.

Diese Fähigkeit, Schwermetalle zu sammeln und dann zurückzugewinnen, ist besonders wertvoll für die Entfernung seltener, kritischer Metalle wie Kobalt aus Wasserquellen. Kobalt ist eine häufige Zutat in Lithium-Ionen-Batterien. Der Abbau von Kobalt ist energetisch teuer und geht mit einer langen Liste von Kosten für Umwelt und Mensch einher.

Wenn Forscher einen Schwamm entwickeln könnten, der seltene Metalle, einschließlich Kobalt, selektiv aus Wasser entfernt, könnten diese Metalle zu Produkten wie Batterien recycelt werden.

„Für erneuerbare Energietechnologien wie Batterien und Brennstoffzellen besteht ein Bedarf an Metallrückgewinnung“, sagte Dravid. „Sonst gibt es auf der Welt nicht genug Kobalt für die wachsende Zahl von Batterien. Wir müssen Wege finden, Metalle aus sehr verdünnten Lösungen zurückzugewinnen. Andernfalls wird es giftig und giftig und bleibt einfach im Wasser liegen. Wir könnten es genauso gut herstellen.“ etwas Wertvolles dabei.“

Standardisierte Skala

Im Rahmen der Studie legten Dravid und sein Team neue Designregeln fest, um anderen bei der Entwicklung von Werkzeugen für bestimmte Metalle, einschließlich Kobalt, zu helfen. Konkret ermittelten sie, welche kostengünstigen und ungiftigen Nanopartikel auch über große Oberflächen und Affinitäten zum Anhaften an Metallionen verfügen. Sie untersuchten die Leistung von Beschichtungen aus Mangan-, Eisen-, Aluminium- und Zinkoxiden bei der Bleiadsorption. Anschließend stellten sie Zusammenhänge zwischen den Strukturen dieser Nanopartikel und ihren Adsorptionseigenschaften her.

Die Umweltsanierungsplattform mit dem Namen „Nanomaterial Sponge Coatings for Heavy Metals“ (oder „Nano-SCHeMe“) kann anderen Forschern dabei helfen, zu unterscheiden, welche Nanomaterialien für bestimmte Anwendungen am besten geeignet sind.

„Ich habe viel Literatur gelesen, die verschiedene Beschichtungen und Adsorptionsmittel vergleicht“, sagte Caroline Harms, eine Studentin in Dravids Labor und Mitautorin der Arbeit. „Es mangelt wirklich an Standardisierung auf diesem Gebiet. Durch die Analyse verschiedener Arten von Nanopartikeln haben wir eine Vergleichsskala entwickelt, die tatsächlich für alle funktioniert. Dies könnte viele Auswirkungen auf die Weiterentwicklung des Gebiets haben.“

Dravid und sein Team stellen sich vor, dass ihr Schwamm in kommerziellen Wasserfiltern, zur Umweltreinigung oder als zusätzlicher Schritt in Wasseraufbereitungs- und -aufbereitungsanlagen verwendet werden könnte.

„Diese Arbeit könnte sowohl lokal als auch global für Wasserqualitätsprobleme relevant sein“, sagte Shindel. „Wir wollen dies in der Welt sehen, wo es eine echte Wirkung erzielen kann.“